Влияние различных факторов на предел выносливости

На предел выносливости материала оказывают влияние многие факторы, в том числе концентрация напряжений, масштабный фактор, качество обработки поверхности, внешняя среда и др. Рассмотрим влияние каждого из них в отдельности.

Концентрация напряжений. Концентрация напряжений при циклическом изменении нагрузки вызывает в зоне очага концентрации зарождение и последующий рост трещины, который завершается усталостным разрушением. Для учета влияния концентрации напряжений вводится эффективный коэффициент концентрации напряжений К_s

,

где – предел выносливости образца с концентратором напряжений,

– предел выносливости стандартного образца.

Эффективный коэффициент концентрации напряжений К_s, учитывающий реальные особенности материала, меньше теоретического a_s. Снижение эффекта концентрации напряжений за счет реальных свойств материала при циклических нагрузках оценивается так называемым коэффициентом чувствительности q который равен:

, где ,

– максимальное местное напряжение.

Чем выше механические свойства стали, тем больше коэффициент чувствительности. Для высокопрочных сталей . Это значит, что нет разницы между теоретическим и эффективным коэффициентом концентрации напряжений. В этом случае прочность детали снижается пропорционально . Для углеродистых сталей 0,6...0,8, для чугуна q =0.

Абсолютные размеры детали. Многочисленными испытаниями установлено, что усталостная прочность образцов при всех прочих рапных условиях снижается с увеличением их поперечного сечения. Как правило, зависимость между пределом выносливости материала и размерами поперечного сечения имеют асимптотический характер, из чего следует, что для очень больших образцов предел выносливости оказывается неизменным. На сопротивление усталости оказывает влияние также длина образца, хотя она менее ярко проявляется по сравнению с влиянием размеров поперечного сечения.

Снижение усталостной прочности с увеличением размеров детали получило название масштабного фактора.

Качество поверхности. Результаты испытаний образцов, поверхность которых имеет разную степень чистоты обработки, свидетельствуют о том, что предел выносливости, полученный для образца с полированной поверхностью выше, чем для образца со шлифованной, а у того выше, чем у образца, обработанного резцом и т.п.

Это обстоятельство объясняется тем, что при грубой обработке на поверхности образца остаются надрезы, царапины и т.п., которые способствуют появлению трещины усталости.

Для повышения усталостной прочности деталей используются технологические методы упрочнения их поверхности (закалка токами высокой частоты, наклеп путем обдувки дробью, цементация и др.).

Влияние технологических факторов на усталостную прочность оценивается коэффициентом поверхностного упрочнения.

Внешняя среда. Резкое снижение предела выносливости вызывает коррозия металлов. При этом в поверхностных слоях возникают трещины коррозийной усталости. Около небольших метших коррозийных повреждений возникает концентрация напряжений, причем на дне коррозионной полости появляются максимальные напряжения. Это приводит к постепенному углублению трещин усталости. Снижение предела выносливости вследствие коррозии более существенно для высокопрочных сталей. В целях защиты конструкции от коррозии применяют различные защитные (антикоррозийные) покрытия поверхностей, например, их окраску.